【毕业学位论文】（Word原稿）河谷城市兰州热岛效应的观测与数值模拟

分类号： 密级： 研 究 生 学 位 论 文 论文题目（中文） 河谷城市兰州热岛效应的观测与数值模拟 论文题目（外文） 究生姓名 王腾蛟 学科、专业 大气科学 大气物理学与大气环境 研 究 方 向 大气边 界层与大气扩散 学 位 级 别 硕 士 导师姓名、职称 张镭 教授 论 文 工 作 起 止 年 月 2010 年 9 月至 2013 年 6 月 论文提交日期 2013 年 5 月 论文答辩日期 2013 年 5 月 学位授予日期 校址：甘肃省兰州市 原 创 性 声 明 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下独立进行研究所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内容外，不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究成果做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 日 期： 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属兰州大学。 本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的规定，同意学校保存或向国家有关部门或机构送交论文的 纸质版 和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权兰州大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 ，可以采用任何复制手段保存和汇编本学位论文。 本人离校后发表、使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为兰州大学。 本学位论文研究内容： 可以公开 不宜公开，已在学位办公室办理保密申请，解密后适用本授权书。 （请在以上选项内选择其中一项打“ ”） 论文作者签名： 导师签名： 日 期： 日 期： I 河 谷城市兰州热岛效应的观测与数值模拟 摘要 随着城市化水平的不断提高， 城市热岛效应 及其 对区域气候 、 环境 和人体健康 的影响 已获得广泛关注 。 近 50 年来， 兰州市 城市化 进程加快 ，城市热岛效应显著。但是，兰州市 独特的 河谷 地形 分布与复杂的下垫面性质，使得兰州市边界层结构及地表辐射能量平衡 等特征较其他下垫面有很大不同。因此 ， 开展对 兰州市热岛效应的时空特征 及 形成 机制的研究具有非常重要的现实意义。 通过对比兰州市区站和榆中郊区站 55 年（ 19562010 年）的逐日平均气温、最低气温和最高气温观测数据，总结了兰州市 热岛效应 的 长时间 尺度的 演变规律，并定量分析了热岛效应对城市站温度序列的影响。 在成功利用 尺度数值模式 模拟复杂地形自然下垫面边界层的基础上，运用 式耦合城市冠层模块（ 兰州市冬季个例（ 2005 年 1 月 25） 和 夏季个例（ 2009年 7 月 27）的城市热岛效应进行了高分辨率数值模拟。通过与去城市下垫面敏感性试验的对比，系统地分析了城市下垫面对兰州市边界层、山谷风环流、地表辐射平衡及地表能量平衡的影响程度。 主要结 果 如下： （ 1）兰州城市热岛效应明显，并且热岛效应在最低气温上表现最显著。 55年来，兰州市 热岛强度的年代际变化具有明显的阶段性特征 ： 1986 年是显著的跃变点，跃变前后年平均气温热岛强度升高了 夏季 的 热岛强度最大，春秋季次之，冬季最小 ； 但冬季热岛强度的增强趋势最为显著，增幅可以达到3 。兰州市热岛强度同样具有明显的日变化特征：夜间强 ， 白天弱， 冬季 正午还会 出现 城区温度低于郊区的冷岛效应。 19562010年，年平均热岛增温率和增温贡献率分别为 ，城市 热岛 效应 对 兰州站气温序列 的影响 不容忽视 。 1986 年 增温跃变后， 年平均热岛增温率和增温贡献率分别 减小到 ，自然因素引起的增温贡献比重增加 。 冬季平均最低气温的热岛增温率最高，可以达到 。 （ 2） 尺度数值模式能很好地模拟出复杂地形条件下的边界层结构地表辐射和能量平衡场特征。 通过与 兰州大学半干旱气候与环境观测站（ 观测资料的对比发现，加入了非局地混合作用以及边界层顶夹卷作用的 界层参数化方案能够更好地模拟出对流边界层的的结构特征，而地闭合方案则对稳定边界层的模拟表现更优。 （ 3） 兰州市冬季的热岛强度日变化曲线呈现双峰结构，峰值出现在 19:00和 06:00，谷值出现在 13:00；夏季则变为单峰结构，峰值出现在 20:00，谷值出现在 10:00。 冬季热岛效应维持时间长于夏季。 通过与 去城市下垫面模拟结果对比 可知 ， 城市下垫面上的近地层 气温 高于自然下垫面，并且在夜间表现最明显，冬季温差约为 ，。城市由于建筑物对风的阻挡作用导致近地层风速小于自然下垫面， 风速差值约为 市下垫面对兰州市热岛强度的贡献率 约 为 40%，而其他因素（如人为热排放等）对热岛强度的贡献也相当可观 。 夜间， 兰州站 200m 以下的 近地层大气保持 了白天的混合层特征； 热岛环流的上升运动促进了山风环流，使得 升气流 达到的高度 高 于 00m。 冬季 白天，由于山峰加热效应，两试验模拟的位温廓线在400m600m 高度间均存在一个脱地逆温层； 11:0015:00 兰州站上空 300m 以 下出现弱上升气流，抑制了谷风 下沉支气流的 发展。 夏季 白天， 太阳辐射 强烈 ，谷底的大气迅速升温，剧烈的湍流运动使得河谷中的大气混合均匀， 1000m 以下大气呈现近中性结构； 16:0020:00 河谷中的气流 转为上升运动 ， 上升高度超过 1000m， 此时段内热岛环流 与谷风环流相互促进。 兰州市城乡 地表辐射平衡存在差异 的重要原因是 城乡下垫面属性的不同 。城市 地表长波辐射 的加热 作用是造成 城市热岛 强度夜间强于白天的主要原因 。城市下垫面对太阳辐射的 “ 截陷 ” 效应导致净辐射通量大于自然下垫面。 由于建筑材料的不透水性，城市下垫面潜热通量远小于感热通量， 且城市的 储热能力明显增强。 关键词： 河谷城市，城市热岛，热岛增温率，城市边界层， 式 of on In a HI on as as HI on HI 956 010 HI on On to HI 5005 (7009 ( In to of km is A is to of on as 1) HI is 5 of HI in 980s 990s. HI is in in HI in is in . HI HI in it is in in in is in at 9562010, HI on is of HI , to 986, an in 9862010 in is by HI by is (2) RF of in to is KE (3) HI in 9:00 6:00, 3:00. HI in 0:00, 0:00. HI in in on is on is in in of is is is by of to of HI is 0%. HI of at to of is a 00m600m at is HI a on At HI of of to a in HI in in is of of on to in in In of on is 0 as as in of of is is 目 录 摘要 . I . 一章 绪论 . 1 究背景及意义 . 1 内外研究进展 . 2 象观测数据 . 2 星遥感资料 . 3 值模拟研究 . 4 究区概况 . 6 然地理与社会经济 . 6 州 城市热岛 研究现状 . 7 文主要内容 . 7 参考文献 . 9 第二章 式介绍 . 17 式的动力框架 . 17 式组成 . 19 理过程参数化方案 . 19 物理过程方案 . 19 云对流参数化方案 . 20 界层参数化方案 . 20 面过程参数化方案 . 21 射参数化方案 . 21 市 冠层模块（ . 22 参考文献 . 24 第三章 兰州地区城市热岛的观测特征 . 27 料来源与方法介绍 . 27 岛强度的年际变化特征 . 29 岛强度的季节变化特征 . 32 岛强度的日变化特征 . 33 结 . 34 参考文献 . 36 第四章 式对复杂地形边界层结构的模拟检验 . 37 点及观测资料 . 37 界层参数化方案 . 38 阶闭合方案 界层方案 . 38 合方案 界层方案 . 39 拟实验设计 . 39 验结果分析 . 40 度场和风场 . 40 表能量平衡 . 43 界层垂直结构 . 45 结 . 46 参考文献 . 48 第五章 拟兰州城市热岛效应特征 . 50 例背景 . 50 季个例 . 51 季个例 . 51 拟方案设计 . 52 式验证 . 54 验结果分析 . 56 地层风温场水平分布特征 . 56 地面温度日变化特征 . 61 地层温度垂直变化特征 . 62 谷风环流特征 . 64 表辐射平衡特征 . 68 表能量平衡特征 . 70 结 . 72 参考文献 . 74 第六章 总结与展望 . 76 要结论 . 76 新点 . 78 论 与展望 . 78 在学期间的研究工作 . 79 致谢 . 80 兰州大学硕士学位论文 河谷城市兰州热岛效应的观测与数值模拟 1 第一章 绪 论 究 背景及意义 全球变暖 成为 气候变化 研究的 焦点 和 核心问题。 观测资料 表明 ， 19062005年全球地表 平均 气温 升高了 升温幅度是 过去 一千年中最大的阶段1。 中国近 50年的年平均地表气温升高 增温速率可达 ，比同期北半球升温速率高 2 起全球变暖的因素主要有两方面：自然因素和人为因素，而人为因素是 导致近 50年来 全球 变暖的主要 原因 1。人类活动对气候的主要影响包括温室气体的排放和下垫面利用状况的改变 5，比如工业化和城市化。 城市化是指人口大量向城市集中的过程， 是人类频繁活动的重要体现。 2008年超过一半的世界人口为城市居民 ，预计到 2030年 城市人口的 比例将突破 81%6。城市 化水平不断发展 ， 导致人口和建筑群密集，高度集中的工业、商业和居民活动使得 下垫面性质 被 改变 ， 影响了城市地 气 之间 物质和能量的交换， 形成了独特的城市局地 气候 7,8。 城市热岛效应（ 为城市气候 效应 的最突出特征 ，是指城市中的气温明显高于周围郊区的现象 9。自 19世纪初 0以来，世界许多大城市都观测到了这种特殊现象 11 成所谓的城市边界层。特别是城市热岛环流，会改变城市尺度甚至中尺度流场结构，将释放到大气中的污染物带回城市中心， 加重市区空气污染的程度 14,15，降低城市空气质量，对人体健康产生严重的危害 。 同时 ， 增加 城市高温出现的频率16,17，持续的高温热浪不仅对人体健 康产生影响 18，而且会使用电量增加，加剧能源消耗 19,20。 另外， 研究表明， 21,22以及人为排放气溶胶浓度的增加 23,24会 使 城市 降水加强 ， 一些学者 还 强调 暴 的产生有重要影响 25,26。 因此，开展对 围 及形成 机制的 研究 ， 不仅对于认识 城市 边界层 兰州大学硕士学位论文 河谷城市兰州热岛效应的观测与数值模拟 2 结构和 城市 地表 能量 平衡具有重要意义，而且在城市 规划与建设 、城市建筑设计、能源利用 、环境保护 以及居民保健等方面 都有实际应用价值 。 内外研究进展 究涉及气候、环境和人体健康等多方面问题，在 城 市 气候研究中具有特殊意义与重要 地位 27。国内外针对 研究方法主要分为三类： 一是利用气象观测数据 进行统计分析； 二是利用 卫星 遥感影像 反演地表数据； 三是利用 数值模式模拟 时空变化特征。具体介绍如下： 象 观测数据 早期的 用 气象站的长期观测资料 进行统计分析， 总结得到28。 9、 30以及31针对单个城市的气象数据研究指 出 ， 量密切相关， 并在 晴朗无风的夜 间 表 现最强。 32和 33综合分析多个气象站的观测记录研究 4、 35研究发现 沿海城市 的 内陆城市存在差异 ，并指出海陆风环流是导致沿海城市 自 20世纪 80年代起，我国城市化进程明显加快，城市化的影响不容忽视 36,37。38基于全国 191对城市 乡村气象站 19612000年逐日平均、最低和最高气温资料分析研究了中国 果表明，冬季最低气温的 海城市 秋冬季则相反。除了全国范围内的 39,40外，一些学者还针对 个别 区域的 41但关注 更多的 还是北京 44上海 47南京 50大城市的 学椿和于淑秋 53,54的研究指出， 19602000年北京热岛 强度增温率为 ，并且存在明显的季节变化，其中以冬季最强，夏季最弱。王郁等 55和刘熙明等 56通过分析 19942003年北京地区气象台站 7、 8月的温度资料，发现北京夏季 指出 城市边界层低层的强逆温结构与弱风场相配合，有利于夏季 庄等 57利用 1998年 3月 2001年 12月北京地区自动站资料研究了北京 艳等 58分析了 兰州大学硕士学位论文 河谷城市兰州热岛效应的观测与数值模拟 3 19602006年上海四季城郊温差的总体变化趋势，结果表明，上海城郊温差逐年显著增长，年平均热岛天数频率为 年平均热岛强度为 ； 1997年之后，夏季 家其等 59的研究指出上海 现为白天低、夜间高的多峰结构，一天的峰值出现在午夜。 城市边界层外场试验 作为利用气象数据研究 一 重要手段，为 详细 研究 市边界层湍流特征、城市内部热环境分布以及污染物扩散提供依据 60。上世纪 70年代在美国密苏里州的圣路易斯进行的大规模城市气象观测试验 城市边界层研究具有重要意义 61,62。近年来，国内外已组织过多次大型的城市外场观测试验，并取得一系列研究成果 63。美国犹他州盐湖城举行的 64,65主要研究城市边界层内不同尺度污染物的扩散；在美国俄克拉荷马进行的 003试验 66则关注城市内部街谷中气流扰动对污染物扩散的影响；在法国马赛开展的 7,68以研究城市边界层的动力学和热力学物质交换为主。 20012003 年在北京 开展的 大气边界层动力、热力 和 化学综合观测试验 9,70，着重研究了北京及周边地区的城市边界层结构和大气化学成分的分布特征 。 综上所述，利用气象观测资料研究 仅受内部因素（如：城市规模、城市